JP4495444B2 - Power assist type moving body - Google Patents
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Description
本願発明は、台車、車椅子等のパワーアシスト型の移動体に関する。 The present invention relates to a power assist type moving body such as a cart or a wheelchair.
従来操作者の操作力に応じてモータの駆動トルクを制御して、操作力をモータによって補助する、いわゆるパワーアシスト型の台車、車椅子等が提案されている。
例えば台車は、手押し用ハンドルを有し、車椅子は、乗者の手動操作用のハンドリムを備えている。台車や車椅子は、ハンドルやハンドリム等の操作部に連動して作動するトルクセンサ或いはポテンショメータを備え、そのトルクセンサ或いはポテンショメータによって操作力を検出している。（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）
2. Description of the Related Art Conventionally, so-called power assist type carts, wheelchairs, etc. have been proposed in which the driving torque of a motor is controlled according to the operating force of an operator and the operating force is assisted by the motor.
For example, the cart has a handle for pushing, and the wheelchair has a hand rim for manual operation of the passenger. A cart or a wheelchair includes a torque sensor or a potentiometer that operates in conjunction with an operation unit such as a handle or a hand rim, and detects an operation force using the torque sensor or the potentiometer. (For example, see
パワーアシスト型の台車等の場合、台車等の積載物の質量の変化、或いは台車等の加速、減速に対応して高速応答する制御システムが必要である。また操作者の操作力は、積載物を含む台車の質量（総質量）が小さいほど小さくなる。そのため、台車等の慣性モーメントを小さくし、台車の質量を見かけ上小さくすることが望まれる。
一方従来のパワーアシスト型の台車等は、操作力に対応してモータ駆動トルクを発生しているが、負荷のトルクを考慮していないため、台車等の慣性モーメントを小さくし、台車の質量を見かけ上小さくすることができない。そのため台車等の積載物の質量の変化、或いは台車等の加速、減速に対して高速応答することができない。また台車の質量を見かけ上小さくすることもできない。そのため台車等の操作性が悪く、台車の見かけ上の質量を小さくできないため、台車等の衝突時の衝撃が大きく、運転の安全性にも問題がある。
さらに従来のパワーアシスト型の台車等は、ハンドルやハンドリム等の操作部に連動するトルクセンサやポテンショメータによって操作力を検出しているため、操作部を操作しない限り操作力を検出できない。したがって操作者が操作部を操作しない限りパワーアシストを開始しない。
In the case of a power assist type cart or the like, a control system that responds at high speed in response to a change in the mass of a load such as the cart or the acceleration or deceleration of the cart or the like is necessary. Further, the operation force of the operator becomes smaller as the mass (total mass) of the carriage including the load is smaller. For this reason, it is desired to reduce the moment of inertia of the carriage or the like and to make the mass of the carriage apparently small.
On the other hand, conventional power-assist type trolleys generate motor drive torque in response to operating force, but do not consider load torque, so the inertia moment of trolleys, etc. is reduced and the mass of the trolley is reduced. It cannot be made apparently small. Therefore, a high-speed response cannot be made to a change in the mass of a load such as a carriage or acceleration or deceleration of the carriage. Also, the mass of the carriage cannot be made apparently small. For this reason, the operability of the carriage or the like is poor, and the apparent mass of the carriage cannot be reduced. Therefore, the impact at the time of collision of the carriage or the like is great, and there is a problem in driving safety.
Further, since a conventional power assist type cart or the like detects an operation force by a torque sensor or a potentiometer that is linked to an operation unit such as a handle or a hand rim, the operation force cannot be detected unless the operation unit is operated. Therefore, the power assist is not started unless the operator operates the operation unit.
本願発明は、従来のパワーアシスト型の台車等の移動体の前記問題点に鑑み、操作性や安全性に優れ、移動体のハンドルやハンドリム等の操作部以外の部位からも移動体を操作してパワーアシストを開始できるパワーアシスト型の移動体を提供することを目的とする。 The present invention is superior in operability and safety in view of the above-mentioned problems of the moving body such as the conventional power assist type carriage, and operates the moving body from a portion other than the operating portion such as the handle or hand rim of the moving body. It is an object of the present invention to provide a power assist type moving body that can start power assist.
本願発明は、その目的を達成するため、請求項１に記載のパワーアシスト型の移動体は、モータの力と人の力で移動するパワーアシスト型の移動体において、加速度検出部により検出した移動体の加速度と電流センサにより検出したモータの電機子電流を用いて移動体の等価慣性モーメントを推定し、その推定した等価慣性モーメントを用いて移動体の質量を推定する質量推定部、その推定した質量を等価的に電気的に調整するため電流に変換し、その電流を質量調整係数により調整する質量補償部、電機子電流及び質量補償部の電流により電機子電流を制御する電流制御部を備えていることを特徴とする。
請求項２に記載のパワーアシスト型の移動体は、モータの力と人の力で移動するパワーアシスト型の移動体において、加速度検出部により検出した移動体の加速度と電流センサにより検出したモータの電機子電流を用いて移動体の等価慣性モーメントを推定し、その推定した等価慣性モーメントを用いて移動体の質量を推定する質量推定部、その推定した質量を等価的に電気的に調整するため電流に変換し、その電流を質量調整係数により調整する質量補償部、前記推定した質量及び移動体の加速度が０のときの電機子電流を用いて路面の転がり摩擦係数を推定する転がり摩擦係数推定部、その推定した転がり摩擦係数、前記推定した質量、路面の傾斜角及びアシスト率を用いて転がり摩擦トルク・下りトルクを補償する電流を発生する転がり摩擦トルク・下りトルク補償部、電機子電流、質量補償部の電流及び転がり摩擦トルク・下りトルク補償部の電流により電機子電流を制御する電流制御部を備えていることを特徴とする。
請求項３に記載のパワーアシスト型の移動体は、モータの力と人の力で移動するパワーアシスト型の移動体において、加速度検出部により検出した移動体の加速度と電流センサにより検出したモータの電機子電流を用いて移動体の等価慣性モーメントを推定し、その推定した等価慣性モーメントを用いて移動体の質量を推定する質量推定部、その推定した質量を等価的に電気的に調整するため電流に変換し、その電流を質量調整係数により調整する質量補償部、前記推定した質量及び移動体の加速度が０のときの電機子電流を用いて路面の転がり摩擦係数を推定する転がり摩擦係数推定部、その推定した転がり摩擦係数、前記推定した質量、路面の傾斜角、アシスト率及び車輪の回転方向情報を用いて転がり摩擦トルク・下りトルクを補償する電流を発生する転がり摩擦トルク・下りトルク補償部、電機子電流、質量補償部の電流及び転がり摩擦トルク・下りトルク補償部の電流により電機子電流を制御する電流制御部を備えていることを特徴とする。
請求項４に記載のパワーアシスト型の移動体は、請求項１、請求項２又は請求項３に記載のパワーアシスト型の移動体において、移動体は台車又は車椅子であることを特徴とする。
Moving the present invention to achieve its objectives, the mobile power assisted according to
The power assist type moving body according to
The power assist type moving body according to
A power assist type moving body according to a fourth aspect is the power assist type moving body according to the first, second, or third aspect, wherein the moving body is a carriage or a wheelchair.
本願発明の台車等の移動体は、調整の困難な機械的パラメータである台車等の等価慣性モーメントや質量を推定し、その推定した質量を等価的に変更するための電流に変換し、その変換下電流を変化し調整することにより台車等の推定質量を任意に調整（可変）でき、見かけ上台車等の総質量を小さくすることができる。したがって操作者の負担は、小さくなり、かつ台車等の加速、減速或いは台車等の総質量の変化に対して高速応答が可能になるから、台車の操作性が向上する。また台車等の総質量は、見かけ上小さくなるから台車等が衝突したときの衝撃が小さくなり、安全性が高くなる。
本願発明の台車等の移動体は、転がり摩擦トルク・下りトルク補償部において、下りトルクに対するアシスト率を調整（可変）して、例えば傾斜した路面において台車が下がろうとする力を残すことにより、台車等を押すとき実際に傾斜路面で台車を押す感覚で操作できるから、台車の操作性が向上する。
A moving body such as a carriage of the present invention estimates the equivalent moment of inertia and mass of the carriage, which is a mechanical parameter that is difficult to adjust, and converts the estimated mass into an electric current for equivalently changing the converted mass. By changing and adjusting the lower current, the estimated mass of the cart or the like can be arbitrarily adjusted (variable), and the total mass of the cart or the like can be apparently reduced. Therefore, the burden on the operator is reduced, and the operability of the carriage is improved because the carriage can be accelerated and decelerated or a high-speed response can be made to changes in the total mass of the carriage. Further, since the total mass of the cart or the like is apparently reduced, the impact when the cart or the like collides is reduced, and the safety is increased.
In the rolling friction torque / downward torque compensation unit, the moving body such as the carriage of the present invention adjusts (varies) the assist rate with respect to the downward torque, for example, by leaving the force that the carriage tries to lower on an inclined road surface, When the trolley or the like is pushed, it can be operated as if the trolley is actually pushed on an inclined road surface.
本願発明の台車等の移動体は、トルクセンサやポテンショメータを用いずに、加速度計を用いるから、台車等のハンドル等の操作部以外の部位に操作力を印加した場合にもアシストを開始できる。したがってハンドル等の操作部から離れた部位に力を加えることにより台車を操作することができる。その場合、車輪の方向を任意に変えられる構造のものを用いると、台車を任意の部位から操作して任意の方向へ走行させることもできる。また台車が衝突したとき、台車には、今まで走行していた方向と逆の加速度が発生するから、台車は逆方向へ走行しようとし、したがって衝突の衝撃が小さくなり安全性が高くなる。 Since the moving body such as a cart of the present invention uses an accelerometer without using a torque sensor or a potentiometer, the assist can be started even when an operating force is applied to a part other than the operating unit such as a handle of the cart. Therefore, the carriage can be operated by applying a force to a part away from the operation unit such as a handle. In that case, if the thing of the structure which can change the direction of a wheel arbitrarily is used, a trolley | bogie can be operated from an arbitrary site | part and can be made to drive | work to an arbitrary direction. Further, when the carriage collides, the carriage generates an acceleration opposite to the direction in which the carriage has traveled so far. Therefore, the carriage tries to run in the opposite direction, so that the impact of the collision is reduced and safety is increased.
図１〜図３により本願発明の実施の形態に係るパワーアシスト型の台車を説明する。なお各図に共通の部分は、同じ符号を使用している。
まず図１、図２によりパワーアシスト型の台車の概要を説明する。
図１（ａ）は、台車の正面図、図１（ｂ）は、台車を傾斜角θの斜面に置いたときの側面図である。
図１において、１は台車、１１はベースフレーム、１２１，１２２は車輪、１３は積載物、２は減速機、３はモータである。
図２は、図１の台車の制御システムの概要図である。
台車１には、モータ３が発生した駆動トルクＴM、人が与えたトルクＴHが印加され、同時に路面の転がり摩擦による転がり摩擦トルクと傾斜路面に置かれた台車１が下がろうとする下りトルクＴμθが印加される。台車１は、それらのトルクによって速度ｖ（ｍ／ｓ）で移動する。モータ３は、電流制御部５によって制御された電機子電流（モータ電流）によって回転し、減速機２を介して回転力を台車１へ伝える。電機子電流は、電流センサ（電流検出器）４によって検出する。
A power assist cart according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, the same code | symbol is used for the part common to each figure.
First, an outline of a power assist type carriage will be described with reference to FIGS.
Fig.1 (a) is a front view of a trolley | bogie, FIG.1 (b) is a side view when putting a trolley | bogie on the slope of inclination-angle (theta).
In FIG. 1, 1 is a cart, 11 is a base frame, 121 and 122 are wheels, 13 is a load, 2 is a speed reducer, and 3 is a motor.
FIG. 2 is a schematic diagram of the control system for the cart of FIG.
A driving torque T M generated by the
加速度検出部６１は、台車１に取付けた加速度計（加速度センサ）によって台車１の加速度を検出する。加速度の検出は、加速度計に代えてモータに取り付けた速度計（速度センサ）の信号を微分して求めることもできる。質量推定部６２は、加速度検出部６１が検出した加速度と電流センサ４が検出した電機子電流を用いて、台車１の全質量を車軸からみたときの等価慣性モーメントを推定（同定）して推定等価慣性モーメント（後述する）を求め、その推定等価慣性モーメントを用いて、台車１の全質量を推定して推定質量（^付きｍ）を求める。
The acceleration detector 61 detects the acceleration of the
転がり摩擦係数推定部６３は、推定質量と台車の加速度が０のときの電機子電流を用いて、台車１が走行している路面の転がり摩擦係数を推定して推定転がり摩擦係数（^付きμ）を求める。
質量補償部６４は、推定質量に質量調整係数βを乗じて推定質量を調整する。そのため質量補償部６４は、推定質量を等価的に変更するための電流に変換し、その変換した電流に質量調整係数βを乗じて電流の大きさを調整し、その調整した電流を電流制御部５へ供給する。したがって質量調整係数βを調整（可変）することにより台車１の総質量を見かけ上調整して小さくすることができる。
The rolling friction coefficient estimator 63 estimates the rolling friction coefficient of the road surface on which the
The
転がり摩擦トルク・下りトルク補償部６５は、転がり摩擦トルクの補償計算に推定質量、推定転がり摩擦係数、路面の傾斜角θ及びアシスト率αを用い、下りトルクの補償計算に推定質量、路面の傾斜角θ及びアシスト率αを用いて、転がり摩擦トルク・下りトルクＴμθに抗して台車１を走行させのるに必要なモータ電流ｉmcを求め、そのモータ電流ｉmcを電流制御部５へ供給する。したがってアシスト率αを調整することにより転がり摩擦トルク・下りトルクＴμθに対する補償電流を変えることができる。前記の場合、転がり摩擦トルクと下りトルクの補償に、転がり摩擦トルク・下りトルクの補償係数としてアシスト率αを用いているが、転がり摩擦トルクの補償と下りトルクの補償に夫々独立したアシスト率を与えることもできる。
The rolling friction torque /
ここで台車の進行方向が逆になり、車輪の回転方向が逆になった場合、例えば台車を押して前進している状態から、台車を引き止めて後進する状態に変わった場合の転がり摩擦トルクの補償について説明する。このような場合には、車輪は一旦停止し、次の瞬間逆回転に転じる。したがって転がり摩擦トルクの補償には、今までと逆極性の転がり摩擦トルクを補償する必要がある。そこで本願発明は、車輪の回転方向を検出し、回転方向が変わったときは、回転方向情報に基づいて今でと逆極性の転がり摩擦トルクの補償トルクを発生している。そのため車輪の回転方向が変わったときは、補償トルクに（−）極性符号を付している。このように本願発明は、台車の操作性を高めるため、車輪の逆回転を想定してきめ細かな配慮をしてある。車輪の回転方向情報は、回転速度検出部６７においてモータに取付けた速度計により検出した回転速度に基づいて発生する。なお車輪の回転速度は、車輪の車軸に取付けた速度計により直接検出してもよい。
台車の走行路面が平らで、固く滑らかな場合には、下りトルクや転がり摩擦トルクは小さくなるから、転がり摩擦トルク・下りトルク補償部６５は、設けなくてもよい。
If the direction of travel of the carriage is reversed and the direction of rotation of the wheels is reversed, for example, the rolling friction torque is compensated when the carriage moves forward from the state where the carriage is pushed and moved backward. Will be described. In such a case, the wheel temporarily stops and turns to the next instantaneous reverse rotation. Therefore, to compensate for the rolling friction torque, it is necessary to compensate for the rolling friction torque having the reverse polarity. Therefore, the present invention detects the direction of rotation of the wheel, and when the direction of rotation changes, generates a compensation torque for the rolling friction torque having a reverse polarity to that of the current state based on the direction of rotation information. Therefore, when the rotation direction of the wheel is changed, a (−) polarity code is added to the compensation torque. Thus, in the present invention, in order to improve the operability of the carriage, careful consideration is given assuming reverse rotation of the wheels. The rotational direction information of the wheel is generated based on the rotational speed detected by the speed sensor attached to the motor in the rotational speed detector 67. The rotational speed of the wheel may be directly detected by a speedometer attached to the wheel axle.
When the traveling road surface of the carriage is flat and hard and smooth, the descending torque and the rolling friction torque become small. Therefore, the rolling friction torque / descending
次に図３のブロック図を用いて図２の制御システムを具体的に説明する。
図３は、機械的パラメータと電気的パラメータを用いて記載した台車のブロック図である。
図３において、２０は、減速機を含む台車（モータ除く）の台車部、３０は、モータ部である。５０は、誤差増幅器、電力増幅器等からなる増幅器で図２の電流制御部を構成し、電流を電圧に変換する。６１〜６５は、図２と同じであり、６６は、路面の傾斜角θを検出する傾斜角センサである。
Next, the control system of FIG. 2 will be described in detail with reference to the block diagram of FIG.
FIG. 3 is a block diagram of a carriage described using mechanical parameters and electrical parameters.
In FIG. 3, 20 is a carriage part of a carriage (excluding the motor) including a reduction gear, and 30 is a motor part.
ここで図３及び式に用いている符号は、次の通りである。
αは転がり摩擦トルク・下りトルクを調整するアシスト率
βは質量調整係数
ωは車輪（タイヤ）の角速度（ｒａｄ／ｓ）
ηは減速機の伝達効率
μは車輪と路面の転がり摩擦係数
θは路面の傾斜角（ｒａｄ）
Ｄは車輪の直径（ｍ）
ｇは重力加速度＝９．８０７（ｍ／ｓ2）
ｉaは電機子電流（Ａ）
ｉmcは転がり摩擦トルク・下りトルクを補償するモータ電流（電機子電流）（Ａ）
ＪLは台車の質量を車軸から見た等価慣性モーメント（ｋｇｍ2）、Ｊmはモータの慣性モーメント（ｋｇｍ2）
Ｋｓはモータ軸と車軸間のコンプライアンス、ＫTはモータのトルク定数（Ｎｍ／Ａ）、ＫEはモータの逆起電力定数（Ｖｓ／ｒａｄ）
Ｌａは電機子のインダクタンス（Ｈ）
ｍは台車の全質量（ｋｇ）
Ｎは減速機の減速比（１：Ｎ）
Ｒａは電機子の抵抗（Ω）
ｓはラプラス演算子
ＴMはモータが発生したモータトルク（Ｎｍ）、ＴHは人が与えたトルク（Ｎｍ）、Ｔμθは転がり摩擦トルク・下りトルク（Ｎｍ）、ＴSは車軸トルク（Ｎｍ）
ｖは台車が走行する速度（ｍ／ｓ）
である。
なお以下各符号は、単位を省略して使用する。
Here, the symbols used in FIG. 3 and the equations are as follows.
α is an assist rate for adjusting rolling friction torque and descending torque β is a mass adjustment factor ω is an angular velocity (rad / s) of a wheel (tire)
η is the transmission efficiency of the speed reducer μ is the rolling friction coefficient between the wheel and the road surface θ is the slope angle (rad) of the road surface
D is the wheel diameter (m)
g is gravitational acceleration = 9.807 (m / s 2 )
i a is the armature current (A)
i mc is a motor current (armature current) that compensates for rolling friction torque and descending torque (A)
J L is the equivalent moment of inertia (kgm 2 ) of the bogie mass viewed from the axle, and J m is the motor moment of inertia (kgm 2 ).
Ks compliance between the motor shaft and the axle, K T is a torque constant of the motor (Nm / A), K E is the back electromotive force constant of the motor (Vs / rad)
La is the inductance (H) of the armature
m is the total mass of the bogie (kg)
N is the reduction gear ratio (1: N)
Ra is the resistance of the armature (Ω)
s is a Laplace operator T M is a motor torque (Nm) generated by the motor, T H is a torque (Nm) given by a person, T μθ is a rolling friction torque / downward torque (Nm), and T S is an axle torque (Nm). )
v is the speed at which the carriage travels (m / s)
It is.
In the following, each symbol is used with its unit omitted.
ここで図３を用いて台車の質量の推定と質量補償手順、転がり摩擦トルク・下りトルクの補償手順について説明する。
図１の車輪の直径をＤ、車輪の総質量をｍ、台車の速度をｖ、路面の転がり摩擦係数をμ、路面の傾斜角をθとすると、台車に人の力が加わらないで一定走行しているときの車軸トルクＴSと車輪の回転角速度ωは、（１）式と（２）式により求めることができる。
In FIG. 1, when the wheel diameter is D, the total mass of the wheel is m, the speed of the carriage is v, the rolling friction coefficient of the road is μ, and the inclination of the road is θ, the vehicle is constantly driven without any human force. the axle torque T S and the wheel rotation angular velocity ω of the time you are, can be obtained by (1) and (2) below.
モータ（ＤＣモータ）と車軸間の減速比をＮ、伝達効率をη、モータのトルク係数をＫT、電機子電流をｉaとすると、モータトルクＴMは、（３）式により求めることができる。
ここで台車部２０とモータ部３０について説明する。
増幅器５０は、電流検出器４、質量補償部６４、転がり摩擦トルク・下りトルク補償部６５からの電流を電圧に変換する。増幅器５０の電圧は、ブロック３４の電圧とともにブロック３１に印加し、電機子電流（モータ電流）に変換する。ブロック３２は、その電流をトルクに変換する。ブロック３２のトルクは、ブロック２５からのトルクとともにブロック３３に印加し、回転角速度に変換する。ブロック３３の回転角速度は、台車部２０のブロック２６によってＮ分の１に減速する。またブロック３３の回転角速度は、ブロック３４によって電圧に変換してブロック３１へ印加する。なおモータが発生するトルク＝ＫT×電機子電流の関係にあるから、トルク定数ＫTと逆起電力定数ＫEは、モータの電機子に任意の電流を流してモータのトルクを計測し、その電機子電流とモータのトルクから求めることができる。
ブロック２６のモータの角速度とブロック２１の車輪の角速度ωは、ブロック２４,２３によってモータトルクＴMに変換する。モータトルクＴMは、人が与えたトルクＴH、転がり摩擦トルク・下りトルクＴμθとともにブロック２１へ印加する。
Here, the
The
The wheel angular velocity ω of the motor angular velocity and the
次に台車の速度ｖの加速度を用いて台車の質量を推定する手順について説明する。
台車に操作者の押す力が加わると、台車に加速トルクが印加され車軸トルクＴSは、（５）式となる。
（５）式は、１項の加速トルクと２項の転がり摩擦トルク・下りトルクの和となる。したがって台車が一定速度で走行しているときは、加速トルクは発生しないから、台車には、２項の転がり摩擦トルク・下りトルクを補償するトルクを供給すればよい。なお操作者が台車を止めようとすると、（５）式第１項は、減速トルクとなる。台車が衝突した場合も同様である。
Next, a procedure for estimating the mass of the carriage using the acceleration of the carriage speed v will be described.
When the pushing force of the operator is applied to the carriage, axle torque T S acceleration torque is applied to the carriage is (5).
Equation (5) is the sum of the acceleration torque of the first term and the rolling friction torque / downward torque of the second term. Accordingly, when the carriage is traveling at a constant speed, no acceleration torque is generated. Therefore, the carriage may be supplied with torque that compensates for the rolling friction torque and the descending torque in the two terms. When the operator tries to stop the carriage, the first term in equation (5) becomes the deceleration torque. The same applies when the truck collides.
後述する等価慣性モーメントの推定には、車軸の回転角加速度を用いるが、回転角加速度は、台車の速度ｖの加速度を用い（６）式により求める。（６）式の計算は、加速度検出部６１において行う。
台車が一定速度で走行しているとき、台車の走行に必要なトルクは、２項の転がり摩擦トルク・下りトルクを補償するトルクのみでよい。即ち台車が一定速度で走行しているときは、台車の加速度は０となり、加速トルクは発生しないから、そのときの車軸トルクＴS0は、そのときの電機子電流ｉa0を用い、（３）式を用いて（７）式により求めることができる。したがって車軸トルクＴS0は、転がり摩擦トルク・下りトルクを補償するのに必要なトルクである。
（５）式の加速トルク、転がり摩擦トルク・下りトルクの内、転がり摩擦トルク・下りトルクは、短時間には変化しないから、その間の電機子電流の変化は、加速トルクを発生するためのものとみることができる。そうすると台車の推定等価慣性モーメント（^付きＪL）は、短時間の電機子電流の変化を用い、（５）式の１項、（３）式と（７）式を用いて（８）式により求めることができる。
推定等価慣性モーメントが求まると、台車の推定質量（^付きｍ）は、（４）式を用いて（９）式により求めることができる。
質量補償部６４は、ブロック６４１において台車の推定質量と回転角加速度を用い、（８）式、（９）式を用いて推定質量を等価的に変更するための電流に変換する。その電流は、ブロック６４２において質量調整係数βにより所定の大きさに調整し、電流指令変換器６４３においてモータ駆動電流指令信号に変換して増幅器５０へ供給される。即ち質量補償部６４は、台車の質量を等価的に変更するための電流に変換し、その電流を質量調整係数βにより調整して、電気的に台車の質量を調整する。したがって、質量補償部６４は、可変することが困難な機械的パラメータである台車の質量を、推定質量を用いて質量調整係数βにより見かけ上可変することができる。
In
次に転がり摩擦係数μの推定手順について説明する。
転がり摩擦係数μの推定転がり摩擦係数（^付きμ）は、推定質量、路面の傾斜角θ、台車の加速度が０のときの電機子電流ｉa0を用い、（５）式の２項と（７）式を用いて（１０）式により求めることができる。
Estimated rolling friction coefficient μ (μ with ^) uses estimated mass, road surface inclination angle θ, and armature current i a0 when cart acceleration is 0. It can be obtained from equation (10) using equation 7).
推定転がり摩擦係数が求まると、転がり摩擦トルクと下りトルクの補償に必要なモータ電流ｉmcは、（５）式の２項と（３）式を用い、アシスト率αを用いて（１１）式により求めることができる。
転がり摩擦トルク・下りトルク補償部６５は、推定質量、推定転がり摩擦係数及び傾斜角θを用いて（１１）式の計算を行って、転がり摩擦トルク・下りトルクの補償に必要なモータ電流ｉmcを発生して増幅器５０へ供給する。傾斜角θは、台車に取付けた傾斜角センサ６６によって検出する。転がり摩擦トルク・下りトルクの補償に必要なモータ電流ｉmcは、アシスト率αを変えることにより調整することができる。したがってアシスト率αを変えることにより、転がり摩擦トルク・下りトルクに対する操作者の負担を任意に調整できる。
ここで台車の進行方向が逆になり、車輪が逆回転した場合に対処するため、（１１）式の計算をする際、回転速度検出部６７からの回転方向情報に基づいて推定転がり摩擦係数（^付きμ）に（＋），（−）の極性符号を付して、転がり摩擦トルクの補償に必要なモータ電流を計算している。なお推定転がり摩擦係数は、車輪の回転方向に関係なく一定であるが、転がり摩擦トルクの補償の計算上極性符号を付す。
The rolling friction torque /
Here, in order to cope with the case where the traveling direction of the carriage is reversed and the wheel rotates in the reverse direction, when calculating the equation (11), the estimated rolling friction coefficient (based on the rotational direction information from the rotational speed detection unit 67) (+) And (-) polarity signs are attached to ^), and the motor current required to compensate the rolling friction torque is calculated. Note that the estimated rolling friction coefficient is constant regardless of the rotational direction of the wheel, but is given a polarity sign for calculation of compensation of the rolling friction torque.
図３の制御システムの計算や信号処理は、コンピュータによって行うが、図４は、コンピュータと信号処理部分の構成を示す。
電流検出器、速度計、加速度計、傾斜角センサの出力は、コンピュータＰＣのＡＤ変換器ＡＤＣによってデジタル信号に変換し、ＣＰＵによって処理し、処理された信号は、ＤＡ変換器ＤＡＣによってアナログ信号に変換して電流制御部へ供給する。なおアナログ信号に変換せずにデジタル信号のままで処理することも可能である。ＣＰＵは、デジタル入出力回路ＤＩＯを介して供給されるクロックによって動作する。
The calculation and signal processing of the control system in FIG. 3 are performed by a computer. FIG. 4 shows the configuration of the computer and the signal processing portion.
The outputs of the current detector, speedometer, accelerometer, and tilt angle sensor are converted into digital signals by the AD converter ADC of the computer PC and processed by the CPU. The processed signals are converted into analog signals by the DA converter DAC. Converted and supplied to the current controller. It is also possible to process the digital signal as it is without converting it to an analog signal. The CPU operates with a clock supplied via the digital input / output circuit DIO.
図５は、台車が走行しているときの台車の質量と路面の転がり摩擦係数を推定した実験結果を示し、図５（ａ）は、推定質量を、図５（ｂ）は、推定転がり摩擦係数を示す。
図５は、台車の総質量８０〜１７０ｋｇの範囲で推定した。なお実験に用いた台車の総質量は、積載量が０のとき８０ｋｇであるので、質量８０ｋｇから実験した。
台車のパラメータの値は、Ｒａ＝０．１３Ω、Ｌａ＝０．５ｍＨ、ＫE＝０．０７６Ｖｓ／ｒａｄ、ＫT＝０．０７６Ｎｍ／Ａ、Ｊm＝０．０００４５ｋｇｍ2、Ｄ＝０．１２ｍ、ＫS＝０．０００２ｒａｄ／Ｎｍ、Ｎ＝１３、θ＝５度である。
FIG. 5 shows the experimental results of estimating the mass of the bogie and the rolling friction coefficient of the road surface when the bogie is running. FIG. 5 (a) shows the estimated mass, and FIG. 5 (b) shows the estimated rolling friction. Indicates the coefficient.
FIG. 5 estimated in the range of the total mass of a cart 80-170 kg. The total mass of the carriage used in the experiment was 80 kg when the load was 0, so the experiment was conducted from a mass of 80 kg.
The parameter values of the carriage are Ra = 0.13Ω, La = 0.5 mH, K E = 0.076 Vs / rad, K T = 0.076 Nm / A, J m = 0.00045 kgm 2 , D = 0.12 m , K S = 0.0002 rad / Nm, N = 13, θ = 5 degrees.
図５（ａ）によると、推定した質量は、実質量（直線）と一致し、質量の推定が正しく行われていることがわかる。
また図５（ｂ）によると、推定した転がり摩擦係数は、実転がり摩擦係数（直線）と一致し、台車の総質量に関係なく一定であるから、転がり摩擦係数の推定が正しく行われていることがわかる。
According to Fig.5 (a), the estimated mass corresponds with a real amount (straight line), and it turns out that the estimation of mass is performed correctly.
Further, according to FIG. 5B, the estimated rolling friction coefficient coincides with the actual rolling friction coefficient (straight line) and is constant regardless of the total mass of the carriage, so that the rolling friction coefficient is correctly estimated. I understand that.
本実施の形態の台車は、調整の困難な機械的パラメータである台車の等価慣性モーメントを推定し、その推定した等価慣性モーメントを用いて台車の質量を推定し、その推定した質量を等価的に変更するための電流に変換し、その電流を質量調整係数を変えて調整（可変）できるから、台車の質量は、電気回路により等価的に任意に調整でき、見かけ上小さくすることができる。したがって、操作者の負担は小さくなり、かつ台車の加速、減速或いは総質量の変化に対して高速応答が可能になるから、台車の操作性が向上する。また台車の総質量は、見かけ上小さくなるから台車が衝突したときの衝撃が小さくなり、安全性が高くなる。
さらに本実施の形態の台車は、転がりトルク・下りトルク補償部において、下りトルクに対するアシスト率を調整（可変）して、例えば傾斜した路面において台車が下がろうとする力を残すことにより、操作者は、実際に傾斜路面で台車を押すのと同じ感覚で操作できるから、台車の操作性が向上する。
The carriage of the present embodiment estimates the equivalent inertia moment of the carriage, which is a mechanical parameter that is difficult to adjust, estimates the mass of the carriage using the estimated equivalent inertia moment, and equivalently estimates the estimated mass. Since the current can be converted into a current to be changed and the current can be adjusted (variable) by changing the mass adjustment coefficient, the mass of the carriage can be arbitrarily and arbitrarily adjusted by an electric circuit, and can be apparently reduced. Therefore, the burden on the operator is reduced, and the operability of the carriage is improved because the carriage can be accelerated, decelerated or a high-speed response can be made to the change in the total mass. Further, since the total mass of the carriage is apparently reduced, the impact when the carriage collides is reduced, and the safety is increased.
Furthermore, the cart of the present embodiment adjusts (changes) the assist rate for the downward torque in the rolling torque / downward torque compensation unit, for example, by leaving the force to lower the cart on an inclined road surface. Since it can be operated in the same way as actually pushing a cart on an inclined road surface, the operability of the cart is improved.
また本実施の形態の台車は、トルクセンサやポテンショメータを用いずに、加速度計を用いるから、台車のハンドル以外の部位に力を加えた場合にもアシストを開始できる。したがってハンドルから離れた部位に力を加えることにより台車を操作することができる。その場合、車輪の方向を任意に変えられる構造のものを用いると、台車を任意の部位から操作して任意の方向へ走行させることもできる。また台車が衝突したとき、台車には、今まで走行していた方向と逆方向の加速度が発生するから、台車は逆方向へ走行しようとし、したがって衝突の衝撃が小さくなり安全性が高くなる。 Moreover, since the cart of this embodiment uses an accelerometer without using a torque sensor or a potentiometer, the assist can be started even when a force is applied to a portion other than the handle of the cart. Therefore, the carriage can be operated by applying a force to a part away from the handle. In that case, if the thing of the structure which can change the direction of a wheel arbitrarily is used, a trolley | bogie can be operated from an arbitrary site | part and can be made to drive | work to an arbitrary direction. Further, when the carriage collides, the carriage generates acceleration in the direction opposite to the direction in which the carriage has traveled so far, so that the carriage tries to run in the opposite direction, so that the impact of the collision is reduced and safety is increased.
本願発明は、台車に限らずパワーアシスト型の車椅子、その他の運搬車、パワーステアリング装置等の移動体の制御に適用できる。 The present invention can be applied to control of a moving body such as a power assist type wheelchair, other transport vehicles, and a power steering device as well as a cart.
１ 台車
１１ ベースフレーム
１２１，１２２ 車輪
１３ 積載物
２ 減速機
２０ 台車部
３ モータ
３０ モータ部
４ 電流センサ（電流検出器）
５ 電流制御部
５０ 増幅器
６１ 加速度検出部
６２ 質量推定部
６３ 転がり摩擦係数推定部
６４ 質量補償部
６５ 転がり摩擦トルク・下りトルク補償部
６６ 傾斜角センサ
６７ 回転速度検出部
1 Carriage 11
5
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